數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998fpga數(shù)字鐘課程設(shè)計(jì)報(bào)告專心-專注-專業(yè) 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：基于FPGA的數(shù)字鐘設(shè)計(jì) 班級(jí)：電子信息工程1301 姓名：王一丁 指導(dǎo)教師：李世平 設(shè)計(jì)時(shí)間：2016年1月 摘要 EDA（Electronic Design Automation）電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，是以大規(guī)模可編程器件為設(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，通過相關(guān)的軟件，自動(dòng)完成軟件方式設(shè)計(jì)得電子系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)，最終形成集成電子系統(tǒng)或?qū)Ｓ眉尚酒?。本次課程設(shè)計(jì)利用Quartu

2、s II 為設(shè)計(jì)軟件，VHDL為硬件描述語言，結(jié)合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)多功能時(shí)鐘，具有顯示年、月、日、時(shí)、分、秒顯示，計(jì)時(shí)，整點(diǎn)報(bào)時(shí)，設(shè)定時(shí)間等功能。利用硬件描述語言VHDL 對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)子模塊進(jìn)行邏輯描述，采用模塊化的思想完成頂層模塊的設(shè)計(jì)，通過軟件編譯、邏輯化簡、邏輯綜合優(yōu)化、邏輯仿真、最終完成本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)。關(guān)鍵詞：EDA VHDL語言 數(shù)字鐘 目 錄摘要 1 課程設(shè)計(jì)目的 2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)要求 3 VHDL程序設(shè)計(jì) 方案論證 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)思路與方法 狀態(tài)控制模塊 時(shí)分秒模塊 年月日模塊 顯示模塊 揚(yáng)聲器與鬧鐘模塊 RTL整體電路 4 系統(tǒng)仿真與分析 5 課

3、程設(shè)計(jì)總結(jié)，包括.收獲、體會(huì)和建議 6 參考文獻(xiàn)1 課程設(shè)計(jì)目的 (1)通過設(shè)計(jì)數(shù)字鐘熟練掌握EDA軟件(QUARTUS II)的使用方法，熟練進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯，為以后實(shí)際工程問題打下設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 (2)熟悉VHDL 硬件描述語言，提升分析、尋找和排除電子設(shè)計(jì)中常見故障的能力。 (3)通過課程設(shè)計(jì)，鍛煉書寫有理論根據(jù)的、實(shí)事求是的、文理通順的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。2 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求 設(shè)計(jì)任務(wù) (1)6個(gè)數(shù)字顯示器顯示時(shí)分秒，setpin按鍵產(chǎn)生一個(gè)脈沖，顯示切換為年月日。 (2)第二個(gè)脈沖可預(yù)置年份，第三個(gè)脈沖可以預(yù)置月份，依次第四、 五、六、七個(gè)脈沖到來時(shí)分別可以預(yù)置時(shí)期、時(shí)、分、秒，第八個(gè)脈沖到來

4、后預(yù)置結(jié)束正常從左顯示時(shí)分秒。 (3)up為高時(shí)，upclk有脈沖到達(dá)時(shí)，預(yù)置位加一，否則減一。 設(shè)計(jì)要求 (1)在基本功能的基礎(chǔ)上，鬧鐘在整點(diǎn)進(jìn)行報(bào)時(shí)，產(chǎn)生一定時(shí)長的高電平。 (2)實(shí)現(xiàn)鬧鐘功能,可對(duì)鬧鐘時(shí)間進(jìn)行預(yù)置，當(dāng)達(dá)到預(yù)置時(shí)間時(shí)進(jìn)行報(bào)時(shí)。3 VHDL程序設(shè)計(jì) 方案論證 該數(shù)字鐘可以實(shí)現(xiàn)：計(jì)時(shí)功能、整點(diǎn)報(bào)時(shí)、鬧鐘和預(yù)置時(shí)間功能，因此時(shí)鐘系統(tǒng)可分為5個(gè)模塊：功能選擇模塊、時(shí)分秒計(jì)數(shù)模塊、年月日計(jì)數(shù)模塊、顯示模塊、揚(yáng)聲器模塊、脈沖產(chǎn)生模塊。(1) 功能選擇模塊是有狀態(tài)機(jī)構(gòu)成的，功能為依次進(jìn)行、設(shè)置時(shí)間、設(shè)置鬧鐘時(shí)間。 調(diào)整工作狀態(tài)：數(shù)字鐘的初始狀態(tài)顯示時(shí)分秒，在setpin按鍵產(chǎn)生一個(gè)脈沖，

5、顯示切換為年月日。 設(shè)置時(shí)間：第二個(gè)脈沖可預(yù)置年份，第三個(gè)脈沖可以預(yù)置月份，依次第四、 五、六、七個(gè)脈沖到來時(shí)分別可以預(yù)置時(shí)期、時(shí)、分、秒。第八個(gè)脈沖到來后，預(yù)置結(jié)束恢復(fù)初始狀態(tài)，正常顯示時(shí)分秒。 設(shè)置鬧鐘時(shí)間：鬧鐘在setpin1按鍵產(chǎn)生第一個(gè)脈沖時(shí)設(shè)定鬧鐘的時(shí)，第二個(gè)脈沖設(shè)定分，第三個(gè)脈沖設(shè)定秒，第四個(gè)脈沖恢復(fù)顯示時(shí)分秒。(2)時(shí)分秒計(jì)數(shù)模塊包括正常計(jì)時(shí)、鬧鐘、整點(diǎn)報(bào)時(shí)三個(gè)功能。 正常計(jì)時(shí)功能通過軟件編寫，60進(jìn)制的秒計(jì)數(shù)器，60進(jìn)制的分計(jì)數(shù)器，24進(jìn)制的時(shí)計(jì)數(shù)器。時(shí)分秒的計(jì)數(shù)器具有清0、置數(shù)、進(jìn)位和計(jì)數(shù)功能。其中reset為清0信號(hào)，當(dāng)reset為0時(shí)，時(shí)分秒的計(jì)數(shù)器清0。當(dāng)set產(chǎn)生第

6、四個(gè)脈沖后，連續(xù)產(chǎn)生的set信號(hào)使分秒計(jì)數(shù)器依次進(jìn)行置數(shù)。以u(píng)pclk為時(shí)鐘，通過up對(duì)預(yù)置位進(jìn)行控制，當(dāng)up為高時(shí)且upclk有脈沖到來時(shí)，預(yù)置位加一，否則減一。當(dāng)set產(chǎn)生第八個(gè)脈沖時(shí)，數(shù)字鐘恢復(fù)時(shí)分秒的顯示。 鬧鐘功能是在正常計(jì)數(shù)功能上拓展，分為鬧鐘時(shí)間預(yù)置和鬧鐘響應(yīng)兩個(gè)部分。鬧鐘時(shí)間預(yù)置功能：當(dāng)set1連續(xù)產(chǎn)生脈沖時(shí)，依次對(duì)鬧鐘的時(shí)分秒位進(jìn)行預(yù)置。以u(píng)pclk為時(shí)鐘，通過up對(duì)預(yù)置位進(jìn)行控制，當(dāng)up為高時(shí)且upclk有脈沖到來時(shí)，預(yù)置位加一，否則減一。當(dāng)set1產(chǎn)生第四個(gè)脈沖時(shí)，數(shù)字鐘恢復(fù)時(shí)分秒的顯示。與此同時(shí)在程序中增添變量時(shí)計(jì)時(shí)功能可以持續(xù)運(yùn)行。鬧鐘響應(yīng)功能：通過預(yù)置后，儲(chǔ)存的變量

7、與計(jì)時(shí)器模塊的時(shí)、分、秒進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)時(shí)、分、秒相同時(shí)，模塊產(chǎn)生一個(gè)一段時(shí)間的高電平，傳輸給鬧鐘響應(yīng)模塊。 整點(diǎn)報(bào)時(shí)功能：當(dāng)計(jì)數(shù)器中的分位等于59，秒位等于59時(shí)，模塊產(chǎn)生一段高電平，輸出給揚(yáng)聲器模塊進(jìn)行報(bào)時(shí)。(3) 年月日計(jì)數(shù)模塊分為年月日計(jì)數(shù)功能，年月日預(yù)置數(shù)功能。 年月日計(jì)數(shù)功能：以時(shí)位的進(jìn)位脈沖為計(jì)時(shí)脈沖，閏年二月份為29天，普通年二月份為28天。一月、三月、五月、七月、八月、十月、十二月為31天，四月、六月、九月、十一月為30天。 年月日預(yù)置數(shù)功能：當(dāng)set產(chǎn)生第一個(gè)脈沖后，依次進(jìn)行年月日數(shù)器置數(shù)。以u(píng)pclk為時(shí)鐘，通過up對(duì)預(yù)置位進(jìn)行控制，當(dāng)up為高時(shí)且upclk有脈沖到來時(shí)，預(yù)置

8、位加一，否則減一。(4) 顯示模塊：以時(shí)分秒，年月日模塊的輸出、狀態(tài)標(biāo)志為輸入信號(hào)，通過狀態(tài)控制模塊產(chǎn)生的狀態(tài)標(biāo)志對(duì)顯示模塊進(jìn)行控制，顯示計(jì)時(shí)、預(yù)置時(shí)的不同狀態(tài)。(5)揚(yáng)聲器模塊：輸入信號(hào)為分位、秒位和狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)鐘到達(dá)整點(diǎn)是輸出高電平，其他時(shí)刻輸出低電平。(6)脈沖產(chǎn)生模塊：對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行1000分頻，產(chǎn)生周期為一秒的時(shí)鐘信號(hào)，用于數(shù)字鐘的時(shí)鐘輸入。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)思路與方法 狀態(tài)控制模塊 狀態(tài)控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能模塊的整體設(shè)計(jì)，包括對(duì)時(shí)間與日期的顯示與調(diào)整，鬧鐘的顯示與調(diào)整等控制操作。狀態(tài)機(jī)的輸入為setpin，setpin1，upclk。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)有11種狀態(tài)。：鬧鐘設(shè)置時(shí)位

9、； ：鬧鐘設(shè)置分位； ：鬧鐘設(shè)置秒位；：時(shí)鐘顯示時(shí)分秒；：時(shí)鐘顯示年月日； ：鐘設(shè)置年； ：時(shí)鐘設(shè)置月； ：時(shí)鐘設(shè)置日； ：時(shí)鐘設(shè)置時(shí)； ：時(shí)鐘設(shè)置分； ：設(shè)置秒 在產(chǎn)生如上狀態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生Tlock，flag狀態(tài)標(biāo)志，此標(biāo)志用來進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置、鬧鐘設(shè)置與顯示控制。 RTL 電路圖實(shí)現(xiàn)代碼如下：process(upclk)begin if (upclk=1 and upclkLAST_VALUE=0)then state=next_state; - 實(shí)現(xiàn)狀態(tài)變換end if;end process;process(state,setpin,setpin1)begin next_stateTlock

10、=0000;flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0; end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=0001;flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=0010;flag=1; if(setpin1=1 and

11、setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_state Tlock=0011; flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=0100;flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_

12、state=g0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) thennext_state Tlock=0101; flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) thennext_stateTlock=0110;flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if; if(setpin=1 and

13、 setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=0111;flag=1; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g0;end if;if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=1000;flag=0; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g1;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_st

14、ateTlock=1001;flag=0; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=g2;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_stateTlock=1010;flag=0; if(setpin1=1 and setpin1LAST_VALUE=0)then next_state=s0;end if; if(setpin=1 and setpinLAST_VALUE=0) then next_state next_state=s0; end case; end

15、 process; 時(shí)分秒模塊 時(shí)分秒模塊的輸入為ce(使能端)，clk0(系統(tǒng)輸入時(shí)鐘)，clk1(upclk時(shí)鐘)，flag(標(biāo)志位)，lock(狀態(tài)位)，up(預(yù)置位增減控制)，ov(進(jìn)位位)，op(鬧鐘與揚(yáng)聲器響應(yīng))。 時(shí)分秒模塊的RTL電路圖 時(shí)鐘選擇方式：在初始狀態(tài)和顯示年月日的狀態(tài)下，時(shí)分秒模塊的時(shí)鐘輸入為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入(clk0),在其他狀態(tài)下，時(shí)分秒模塊的時(shí)鐘輸入為(upclk時(shí)鐘)用來進(jìn)行置位。 實(shí)現(xiàn)代碼入下： process(lock,clk0,clk1) begin if(lock=0000 or lock=0001)thenclk=clk0; -正常計(jì)數(shù)時(shí)選擇clk0e

16、lse clk=clk1; -預(yù)置的時(shí)候clk1end if;end process;時(shí)鐘計(jì)時(shí)功能，在顯示年月日，時(shí)分秒的狀態(tài)時(shí)，時(shí)鐘正常計(jì)數(shù)。當(dāng)數(shù)字鐘處于置數(shù)狀態(tài)時(shí)，年、月、日、時(shí)、分、秒時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)，各個(gè)位顯示預(yù)置數(shù)。在鬧鐘的預(yù)置功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，通過增添變量，在設(shè)置鬧鐘的同時(shí)保證時(shí)鐘的正常計(jì)數(shù)，在鬧鐘預(yù)置結(jié)束后，恢復(fù)到初始的時(shí)鐘顯示。 年月日模塊 年月日模塊分為日期增加和日期減小兩個(gè)部分，日期增加：在顯示時(shí)分秒，顯示年月日和設(shè)置完秒位的狀態(tài)下，如果是二月，通過函數(shù)判斷是否為閏年，其他月份對(duì)大小月進(jìn)行判斷，大月為31天，小月為30天，代碼如下： if(clkevent and clk=1)t

17、hen if(ce=1)then if(lock=0000)or(lock=0001)or(lock=0100and up=1)then if(mon0=0010and mon1=0000) then Feb_add_day(Td0,Td1,tempy0,tempy1,date0,date1); elsif(mon0=0001and mon0=0000)or(mon0=0011)or(mon0=0101) or(mon0=0111)or(mon0=1000)or(mon0=0000and mon1=0001)or(mon0=0010and mon1=0001)then oddmonth_add

18、_day(Td0,Td1,date0,date1);else evenmonth_add_day(Td0,Td1,date0,date1);end if;end if;日期減少同理，代碼如下：if(lock=0100and up=0)then if(mon0=0010and mon1=0000)then Feb_add_day(Td0,Td1,tempy0,tempy1,date0,date1);elsif(mon0=0001and mon1=0000)or(mon0=0011)or(mon0=0101) or(mon0=0111)or(mon0=1000)or(mon0=0000and mo

19、n1=0001) or(mon0=0010and mon1=0001)then oddmonth_sub_day(Td0,Td1,date0,date1);else evenmonth_sub_day(Td0,Td1,date0,date1);END IF;end if;end if;end if; 當(dāng)以日位的進(jìn)位為輸入，當(dāng)存在輸入脈沖時(shí)，通過函數(shù)對(duì)月份進(jìn)行加減，代碼如下： beginif(clkevent and clk=1)then if(ce=1)then if(lock=0000)or (lock=0001)or (lock=0011and up=1)then add_month(Tm

20、0,Tm1,mon0,mon1); end if;if(lock=0011and up=0)then sub_month(Tm0,Tm1,mon0,mon1); end if; if (lock=0000)or (lock=0001) then if(mon0=0010and mon1=0001)then sub_year(Ty0,Ty1,year0,year1); end if; end if;if(lock=0010and up=1)then add_year(Ty0,Ty1,year0,year1); end if;if(lock=0010and up=0)then sub_year(T

21、y0,Ty1,year0,year1); end if; end if; end if; 顯示模塊 顯示模塊的輸入為年、月、日、時(shí)、分、秒、lock(狀態(tài)標(biāo)志)，通過if語句，狀態(tài)機(jī)一共提供11鐘狀態(tài)。在不同狀態(tài)下，給顯示模塊的年月日時(shí)分秒不同的輸入，從而得到要求的顯示。 顯示電路的RTL電路代碼如下：process(lock,sec0,sec1,min1,min0,hour1,hour0,date0,date1,mon0,mon1,year0,year1)beginif(lock=0000)thena0=sec0;a1=sec1;b0=min0;b1=min1;c0=hour0;c1=hou

22、r1;end if;if(lock=0001)thena0=date0;a1=date1;b0=mon0;b1=mon1;c0=year0;c1=year1;end if;if(lock=0101)or(lock=1000)thena0=1111;a1=1111;b0=1111;b1=1111;c0=hour0;c1=hour1;end if;if(lock=0110)or(lock=1001)thena0=1111;a1=1111;b0=min0;b1=min1;c0=1111;c1=1111;end if;if(lock=0111)or(lock=1010)thena0=sec0;a1=s

23、ec1;b0=1111;b1=1111;c0=1111;c1=1111;end if;if(lock=0010)thena0=1111;a1=1111;b0=1111;b1=1111;c0=year0;c1=year1;end if;if(lock=0011)thena0=1111;a1=1111;b0=mon0;b1=mon1;c0=1111;c1=1111;end if;if(lock=0100)thena0=date0;a1=date1;b0=1111;b1=1111;c0=1111;c1=1111;end if;end process;end led_disp_arc; 脈沖發(fā)生電路將

24、提供的1000hz頻率分頻成1hz(供系統(tǒng)時(shí)鐘)。f1000為1000hz輸入，second_wave為分頻輸出。 分頻器的RTL電路 代碼如下：process(f1000,cnt) begin if(f1000event and f1000=1)then if(cnt=)thencnt=;second_wave=not second_wave;else cnt=cnt+1;end if;end if;end process;end second_wave_arc; 揚(yáng)聲器模塊 模塊的輸入為clk(系統(tǒng)時(shí)鐘)，op(響應(yīng)信號(hào))，vcc(鬧鐘使能端)，ala(高電平輸出)。當(dāng)vcc為高時(shí)，且當(dāng)o

25、p有響應(yīng)信號(hào)輸入(高)，鬧鐘產(chǎn)生一定時(shí)長的高電平。 鬧鐘的RTL電路代碼如下：signal temp1:std_logic_vector(3 downto 0);beginprocess(op,vcc,clk) begin if clkevent and clk=1 then if(vcc=1)then if(temp1=1111)then ala=not ala;elsetemp1=temp1+1;ala=1;end if;end if;end if;end process; end alarm_arc;整體RTL電路 4 系統(tǒng)仿真與分析 對(duì)基本要求的仿真 初態(tài)設(shè)置：setpin1=0；up

26、=0；setpin置連續(xù)8個(gè)脈沖，f1000為頻率為1000hz的方波。 分析：在setpin第一次脈沖到來時(shí)，顯示年月日，因?yàn)閿?shù)字鐘是初始狀態(tài)所以年月日均為0。Setpin。第二次脈沖到來時(shí)對(duì)時(shí)進(jìn)行預(yù)置數(shù)，因?yàn)閡p=0，所以設(shè)置時(shí)位，時(shí)位在不斷地減小，在后面各位預(yù)置的過程中，每一位的預(yù)置過程都是減小。第三次脈沖來到是對(duì)分位進(jìn)行預(yù)置，第四次脈沖到來時(shí)對(duì)秒位進(jìn)行預(yù)置。第四次脈沖到來時(shí)對(duì)年進(jìn)行預(yù)置，第五次脈沖到來時(shí)對(duì)月進(jìn)行預(yù)置，第六次脈沖到來時(shí)對(duì)日進(jìn)行預(yù)置。第七次脈沖到來時(shí)，數(shù)字鐘顯示時(shí)分秒，從仿真結(jié)果可以看出來，此時(shí)時(shí)鐘是從預(yù)置的時(shí)間開始計(jì)時(shí)的，第八次脈沖到來時(shí)，此時(shí)時(shí)鐘顯示的是年月日，此時(shí)顯示的年月日為預(yù)置的年月日。 從上述分析可以看出，經(jīng)過仿真的程序基本達(dá)到數(shù)字鐘的基本要求，系統(tǒng)可靠。 對(duì)鬧鐘狀態(tài)轉(zhuǎn)換的仿真 初始設(shè)置：初態(tài)設(shè)置：setpin1設(shè)計(jì)一個(gè)脈沖；up=0；setpin置連續(xù)2個(gè)脈沖，f1000為頻率為1000hz的方波。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)setpin脈沖到來時(shí)，顯示年月日，第二個(gè)setpin脈沖來臨時(shí)時(shí)鐘對(duì)年進(jìn)行預(yù)置，此后setpin1的第一個(gè)脈沖到來，時(shí)鐘的狀態(tài)轉(zhuǎn)為對(duì)鬧鐘時(shí)間的設(shè)置，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)鬧鐘功能的仿真初始設(shè)置：初態(tài)設(shè)置：setpin1設(shè)計(jì)三個(gè)脈沖；up=0；f1000為頻率為1000hz的方波。